CN109545050A - 电机实验箱 - Google Patents

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汪华章
刘兴文
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Southwest Minzu University
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Southwest Minzu University
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    • G09B23/00—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes
    • G09B23/06—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for physics
    • G09B23/18—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for physics for electricity or magnetism
    • G09B23/188—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for physics for electricity or magnetism for motors; for generators; for power supplies; for power distribution
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
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    • G09B5/00—Electrically-operated educational appliances
    • G09B5/02—Electrically-operated educational appliances with visual presentation of the material to be studied, e.g. using film strip

Abstract

本发明涉及一种电机实验箱，包括：直流电机、步进电机、无刷电机，与所述的直流电机、步进电机、无刷电机电连接的驱动电路，根据上位机软件程序控制所述的直流电机、步进电机、无刷电机工作状态的电机控制芯片，所述电机控制芯片连接屏幕；电机控制芯片根据上位机控制软件程序输出电机转速、速度波形和转速波形截图至屏幕显示；电机控制芯片根据上位机控制软件程序保存转速文本，选择控制某个电机正反PID参数和设定速度。

Description

电机实验箱
技术领域
本发明涉及一种电机实验箱。
背景技术
目前电机实验箱使用的很普遍，电机类型主要为直流电机、步进电机和无刷电机中的几种。这类实验箱能帮助用户很好的学习电机的使用和特性。但是这类实验箱使用的电机种类少，电机实验箱功能简单，包含电机种类单一。电机的性能不是很好，用户很难全面了解电机的特性。
有鉴于上述的缺陷，本设计人积极加以研究创新，以期创设一种电机实验箱，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种将多种类型电机集中在一个实验箱进行使用，方便用户学习的电机实验箱。
本发明电机实验箱，包括：直流电机、步进电机、无刷电机，与所述的直流电机、步进电机、无刷电机电连接的驱动电路，根据上位机软件程序控制所述的直流电机、步进电机、无刷电机工作状态的电机控制芯片，所述电机控制芯片连接屏幕；
电机控制芯片根据上位机控制软件程序输出电机转速、速度波形和转速波形截图至屏幕显示；
电机控制芯片根据上位机控制软件程序保存转速文本，选择控制某个电机正反PID参数和设定速度。
进一步的，电机控制芯片使用定时器的输出功能产生PWM，电机控制芯片用定时器记录编码器的数据，电机控制芯片将设定的速度与实际速度进行运算产生误差，将该误差传给PID算法，控制电机速度，闭环控制电机速度。
进一步的，直流电机驱动的开关元件和直流电机驱动器，所述开关元件为功率MOS管，直流电机驱动器为H桥驱动电路，由两个半桥电路和两个半桥驱动芯片组成。
进一步的，电机控制芯片是16位的MSP430单片机。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
本发明电机箱，包含三种常见类型的电机实验箱配，电机性能优良并且电机驱动电路设计良好，在高负载运行是也能快速响应操作，再配合该实验箱的上位机软件，用户可以更好的学习、了解和使用这几款电机。
本发明实验箱将直流电机、步进电机和无刷电机集成到一个实验箱，驱动电路良好，控制方便，软件直接生成MATLAB文件，便于用户算法设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是电机速度调试图；
图2是电机实验箱结构框图；
图3是单片机工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1-图3，本发明一较佳实施例所述的电机实验箱，包括：直流电机、步进电机、无刷电机，与所述的直流电机、步进电机、无刷电机电连接的驱动电路，根据上位机软件程序控制所述的直流电机、步进电机、无刷电机工作状态的电机控制芯片，所述电机控制芯片连接屏幕；
电机控制芯片根据上位机控制软件程序输出电机转速、速度波形和转速波形截图至屏幕显示；
电机控制芯片根据上位机控制软件程序保存转速文本，选择控制某个电机正反PID参数和设定速度。
进一步的，电机控制芯片使用定时器的输出功能产生PWM，电机控制芯片用定时器记录编码器的数据，电机控制芯片将设定的速度与实际速度进行运算产生误差，将该误差传给PID算法，控制电机速度，闭环控制电机速度。
常见的电机实验箱对电机的控制比较简单，使用滑动变阻器产生的电压或者上位机给定一个值，然后电机进行开环转动。为了使用户更好了解电机，本电机实验箱对硬件平台全新设计。用超低功耗的 MSP430作为电机的控制的芯片，使用定时器的输出功能产生PWM， MSP430用定时器的技术功能记录编码器的数据，最后MSP430将设定的速度与实际速度进行运算产生误差，将这个误差传给PID算法，然后控制电机速度，到达闭环控制电机速度。
进一步的，直流电机驱动的开关元件和直流电机驱动器，所述开关元件为功率MOS管，直流电机驱动器为H桥驱动电路，由两个半桥电路和两个半桥驱动芯片组成。电机驱动常用的驱动器件有三极管、 MOS管和IGBT等。三极管承受的电流小，发热比较明显，常用大型散热片散热；功率MOS管承受的电流比较大，发热不明显，配合普通的散热片即可正常工作；IGBT常用在高压电路，发热量大需要配合大型散热片和风扇。本电机实验箱使用功率MOS管作为直流电机驱动的开关元件，它在高频率控制下响应很好，长时间工作发热量很小。
功率MOS管导通和关闭需要时间，而且导通和关闭的时间不一致，就会导致半桥直通，烧毁电路。本方案选择增加半桥驱动芯片来避免桥臂直通，半桥芯片内部有导通关闭延时电路能防止桥臂直通。
电机驱动选用的功率MOS管、半桥驱动电路和电源电路均是独立器件，导致占用PCB面积大，导致成本高，。在防止桥臂中选取硬件防护，导致成本增加。单片机的定时器输出PWM可以设置延时同样可以达到避免桥臂直通的效果。
进一步的，电机控制芯片是16位的MSP430单片机。
单片机选取的是16位的MSP430，它在运算PID算法是比 cortex-mx内核单片机时间长，处理大型算法时延迟很大，由于 MSP430晶振为8MHZ，导致PWM的分辨率不是很高。
本电机实验箱配有上位机控制软件。它可以显示电机转速、速度波形、转速文本保存和转速波形截图功能。和PID参数配置功能。在控制方面上位机软件可以选择控制某个电机正反转PID参数和设定速度。用上位机软件设定PID和速度，比电机实验箱的按键方便很多。用户连接实验箱的串口后就可以选择控制某一个电机，设置方向、PID参数和速度。点击“生成新波形”，这些信息会发给MSP430，解析后MSP430会按照这些参数运行某一个电机。
为了用户研究波形，本软件提供了保存数据和保存图片两个功能。保存数据就是把每个时刻的转速保存到TXT文本中，用户可以导入 Matlab等软件进行二次处理。保存图片把当前波形界面进行截图，可以导入到文献中。
本发明实验箱将将直流电机、步进电机和无刷电机集成到一个实验箱，驱动电路良好，控制方便，软件直接生成MATLAB文件，便于用户算法设计。
本发明使用开关电源供电24V，系统中单片机、屏幕、逻辑门芯片和半桥驱动芯片使用的是12V、5V和3.3V供电，需要用稳压芯片将24V转化为5V和3.3V。本专利实验箱使用LM2596芯片将24V 转为V，使用AMS117将5V转化为3.3V为外设供电。MC34063将电压转化为12.5V为半桥芯片IR2104供电。
直流电机驱动选取的是常见的H桥驱动电路，由两个半桥电路和两个半桥驱动芯片组成。由于步进电机是根据信号线时序变化而转动了，为了节省单片机资源，本实验箱使用L297硬件产生时序，只需要MSP430给L297PWM，步进电机就可转动。
无刷电机需要电脑才能驱动，本实验箱选取英飞凌XC846无刷控制器集成驱动盒作为驱动电路。
OLED用于信息查看，可以显示控制电路类型和一些速度信息。
软件使用C++在QT的框架上搭建的视图软件。运行在windows 平台上。使用了button、uart、label和menu等控件来完成上位机软件搭建。
本上位机使用QT和C++完成，LABVIEW也可以完成相应的工作。
硬件部分器件LM2596，可以用其他适应电压的开关稳压芯片替换，例如LM2576、MP2359等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种电机实验箱，其特征在于，包括：直流电机、步进电机、无刷电机，与所述的直流电机、步进电机、无刷电机电连接的驱动电路，根据上位机软件程序控制所述的直流电机、步进电机、无刷电机工作状态的电机控制芯片，所述电机控制芯片连接屏幕；
电机控制芯片根据上位机控制软件程序输出电机转速、速度波形和转速波形截图至屏幕显示；
电机控制芯片根据上位机控制软件程序保存转速文本，选择控制某个电机正反PID参数和设定速度。
2.根据权利要求1所述的电机实验箱，其特征在于，电机控制芯片使用定时器的输出功能产生PWM，电机控制芯片用定时器记录编码器的数据，电机控制芯片将设定的速度与实际速度进行运算产生误差，将该误差传给PID算法，控制电机速度，闭环控制电机速度。
3.根据权利要求1所述的电机实验箱，其特征在于，直流电机驱动的开关元件和直流电机驱动器，所述开关元件为功率MOS管，直流电机驱动器为H桥驱动电路，由两个半桥电路和两个半桥驱动芯片组成。
4.根据权利要求1所述的电机实验箱，其特征在于，电机控制芯片是16位的MSP430单片机。
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